螺栓连接设计

一、普通螺栓连接

在一些受静力载荷 或间接动力截荷不大的构件上，可以使用普通螺栓连接。这种螺栓用普通低碳钢制作，如Q235和Q345钢螺栓。而与之相配的螺孔比螺栓直径大1～2mm，一般是大2mm。由于强度低，施加拧紧力矩小，接触面压力和连接面磨擦力小，在垂直于螺栓方向力作用下，连接面易产生滑动，这时应考虑使用铰制孔螺栓，通过孔与螺栓的配合，螺栓受剪力传递作用力，但这种连接造价高，安装不容易，只在不得以时使用。

普通螺栓连接只在不重要的构件中使用，

螺栓的许用承载能力

抗拉许用承载能力      

抗剪许用承载能力      

抗压许用承载能力      

d――螺栓有效直径     d0――孔径

[拉]――螺栓材料许用拉伸应力  [拉]＝0.8[]

[压]――板材的许用承压应力  [压]＝1.4[]～1.8[]

   ――只要板材孔壁不挤坏，螺栓就不会因承压而破坏。1.8[]用于铰制孔时。

[]――螺栓的许用剪切应力，一般取0.6[]

式中的[]—为该材料的基本许用应力

基本许用应力[]――等于材料的屈服应力s除以安全系数n而得        即：[]=s/n

各全系数n如表

以上为材料s/b<0.7时，若s/b>0.7，因屈服限接近破断限，强度储备较少，规范规定其材料的强度极限应力不能取s，而应为，这时[]＝极/n

在受剪力时，为防止板边端被螺栓剪出，因此，应有足够的边距a――见图

a≥(1.2～1.6)d0

剪力为主时，应取大值，当使用标准孔径时，可以参照下表选用

2a[]≥d0[压]，各符号以上已有说明。

二、高强度螺栓连接

我公司最常用有二种型式：磨擦型高强度螺栓连接和法兰式高强度螺栓连接。

1.磨擦型高强度螺栓连接设计

这种连接是借助螺栓的张力使连接件之间产生巨大的压紧力，依靠彼此间的磨擦力传递载荷。

为了获得巨大的压紧力，所以高强度螺栓材料必须选用优质碳素钢，常用有45号钢、40B、20MntiB。经热处理，其抗 拉强度前者超过800N/mm2，屈强比s/b＝0.8(称之为8.8级)。后者超过1000N/mm2屈强比s/b＝0.9(称之为10.9级)。与之相配的螺母、垫圈均采用45号钢热处理。螺栓孔必须为钻孔，孔径可按比螺栓公称直径大10%，对剪压型孔径应小些，比螺栓直径大7%左右，以免使连接滑动过大。

孔边距a可以参照上表。

孔中心距b建议不小于，最好是3d，也不得小于，还要注意不能小于高强度螺栓拔手的空间。

N――由一个紧固件传递到关键连接零件的力

b――关键连接件的最小抗拉强度

――关键连接件的厚度

d――螺栓直径

磨擦型构件连接计算和设计：已知构件的截面。即：翼板宽B，腹板高H，腹板厚度腹，翼板厚翼以及材料。

设计该构件的高强度连接接头。

(1)接头的间隙C值，一般为3～4mm，以二断面不相对碰撞为宜。

(2)翼板连接板的宽度B1和厚度1的设计。B1小于箱型断面二腹板的角焊缝边缘的距离，设角焊缝为C1，建议B1=B’-2C1-10(mm)，1必须大于1/2翼，可以从下面关系式求出：

(1.05～1.1)B翼＝2B11 (二块连接板时)

1=(1.05～1.1)B翼/2B1

(3)腹板连接板B2和厚度2的设定

B2=H-2C1-10 (mm)

2必须大于1/2腹，可以从下面的关系式求出

(1.05～1.1)H腹=2B22  (二块连接板时)

(4)根据翼和腹初步确定高强度螺栓直径d

公司有规定，受力螺栓不得使用小于M16，若母材是Q235钢，建议用8.8级高强度螺栓；若母材是Q345钢，建议用10.9级高强度螺栓。

(5)高强度螺栓数量n的决定，(连接板半边的高强度螺栓数量n)

设一个高强度螺栓连接(二块连接板时)所能传递的摩擦力为Fi，按照连接接头与母材，等强度可得：

nFi=B翼s  (或H腹s)

n≥B翼s/Fi   (或H腹s/Fi)

最后完整n(可以布置)应放大10～20%，设计时根据构件重要程度，将其数量放大。

Fi的求解：

设高强度螺栓预紧力为FN，连接板与母材之间的摩控系数为f，摩擦面(如图，二块连接板)为2，则

Fi=2Fnf

FN的确定――根据高强度螺栓的级别和直径d定，一般预紧力控制在材料屈服限的0.6～0.7倍

FN=(0.6～0.7)ASs       

AS――螺栓有效面积

S――螺栓材料的屈服限

8.8级，S＝0～660Mpa    10.9级S＝900～940MPa

各直径螺栓的有效截面AS

d――mm

FN――kN

K――拧紧力矩系数

K系数是与螺母接触面表面状况以及螺栓本身有关的系数，在使用高强度螺栓(用拧紧力矩法时，应了解该螺栓的K值，若无，应对同批螺栓抽样试验获取)，一般K值取0.12～0.17之间，若螺母端面与垫圈间有润滑时可取小值。

连接板与母材之间的摩擦系数f，与连接面的处理状况有关，可以按下表选用

摩擦系数f值

(6)关于重复使用

10.9级和镀锌的8.8级高强度螺栓不得重复使用，而其他8.8级螺栓经负责工程师批准后可以重复使用。

注：在施预紧过程中，因其他螺栓被预紧而使相邻的螺柱松动，重复拧紧不应认为是重复使用。

(7)为什么高强度螺栓连接要使用硬垫圈，不能采用弹性垫圈。

由上面图可见

在拧紧螺栓产生预拉力FN作用下，则螺栓被拉长+，设螺柱的刚度C螺，同时在FN作用下，连接板受压被压缩-P，设板的刚度系数为C板，则：FN＝C螺＝C板P

由于通常板之间的受压面积比螺栓的面积大4～9倍

因此，高强度螺栓连接在受到螺栓方向拉力F时，高强度螺栓拉力会增大，同时连接板间的压力会减小。

螺栓在原来预紧力下的拉伸基础上再伸长’，而连接板原来的压缩量P回复’(’这时，螺栓和板中的力将重新分配，由图

螺栓中的拉力增至F’N＝FN＋     ――螺栓增加力

板中的压力减少至F’P＝-FN＋FP     FP――连接板间压力减小值

而＝'C螺    而     

∵

＝(0.1～0.2)F     ＝(0.9～0.8)F

可见，高强度螺栓连接中，如果垫圈不硬，刚度C板低，则在外力F作用下，螺栓受到的增加力会很大。因此，C板越大越有利，若被连接件的刚度是螺栓刚度的9倍时，当加的F力与螺栓原先预拉力FN相当时，则螺栓的内拉力只是增加了FN的1/10,只有在C板＝C螺时，F＝FN时，螺栓才会受到1.5FN力

(8)高强度螺栓连接接头设计除了上述的连接件表面处理要求，螺栓的扭矩系数，螺栓的拧紧力矩(即螺栓预紧力)外，还应有如下要求

a.接头二边的结构应留有300～500mm左右长度范围(这个范围要大于连接板连接区域)内面板与腹板焊缝不要焊，待高强度螺栓连接后，才对面板与腹板焊缝施焊，才能保证连接板与构件接触得更好。

b.4个角处的缝隙要填补，可以用金构胶填补，防雨水进入。

2.法兰高强度螺栓连接

(1)高度螺栓直径的设计

设翼板范围布置n翼个螺栓，若选用8.8级，在已知B和面时，可以初定高强螺栓直径d

根据等强度设计：

0.7sAs×n翼＝B面s板

   (mm2)   由AS查出d

AS――螺栓的断面积，mm2

S――螺栓的屈服强度，N/mm2

S板――板材的屈服强度，N/mm2

B――面板宽度，mm

翼――面板的厚度

同样也可解腹板范围的螺栓数量和需要的螺栓直径，从面板连接和腹板连接解出螺栓直径中，取较大的直径。

(2)根据螺栓直径d，按板和空间要求和焊脚的高度，决定a，以及螺孔到边缘的尺寸。

(3)求解法兰板的厚度，初步可按以下办法决定

若连接板与母材同材料，则

由本式得出的法兰板厚度往往是较厚的，因为它是按等强度计算而得，实际杆件的断面根据结构定，比较大，而实际受力小。

因此，初步计算得的法兰板厚度可根据实际适当减小些，若以受拉力为主的构件，取大值。

为了减小值，要尽量减小a，只要扳手空间通得过，尽量取小的a值。

孔的中心距和边距可参照上述规定选用。

(4)这种连接型式，如果同时受到较大剪力时，应设计抗剪块(二块法兰板之间用抗剪块传递剪力)，使剪力不是通过二块板的摩擦力传递，因为这种连接面之间，摩擦面之间的摩擦系数小，又由于受到轴向力，会使二个法兰间的压力减小，从而破坏摩擦传递作用的可靠性。

(5)这种连接在受到轴向拉力时，高强度螺栓张力是如何增加呢？

设螺栓事先预紧力为FN，螺栓总数量为n。

在受轴向力F，1板拉应力为，则连接接头受到总拉力

F＝B1   (N)

在F力作用下，C板―连接法兰的刚度，一般为螺栓的4～9倍。

连接板间的压缩量回复＝F/C板+C螺=F/(4～9)C螺+C螺＝F/(5～10)C螺

也就是说高度强螺栓又被拉长了＝   

由此可见，螺栓拉力的增加不是F，而是，法兰间的压力减小值为(0.8～0.9)F，视C板的小大，C板也大，高强度螺栓连接法兰，在受到轴向拉力时，螺栓额外增加力越小，所以要求法兰板要有一定的厚度，而且法兰面接触要很好，这样在螺栓预紧时，压缩变形量很小，也就是连接板的刚性很大。